導語
可穿戴傳感器正在成為個性化醫(yī)療保健和運動監(jiān)測的一種很有前途的工具。在最近的一項研究中，來自日本的研究人員開發(fā)了一種新型可穿戴化學傳感器，能夠測量汗液中氯離子的濃度。通過使用熱轉(zhuǎn)移式印刷術(shù)，所提出的傳感器可以應用于普通紡織品的外表面，以防止皮膚刺激和過敏，并且還可以用于中暑和脫水的早期檢測。
現(xiàn)代電子產(chǎn)品中令人矚目的小型化水平，為實現(xiàn)以前僅限于科幻小說領(lǐng)域的醫(yī)療保健設(shè)備鋪平了道路?？纱┐鱾鞲衅骶褪且粋€突出的例子。顧名思義，這些設(shè)備戴在身上，通常是直接貼在皮膚上。它們可以監(jiān)控重要的身體參數(shù)，包括心率、血壓和肌肉活動。
一些可穿戴傳感器還可以檢測體液中的化學物質(zhì)。例如，汗液生物傳感器可以測量汗液中的離子濃度，提供有關(guān)它們在血液中水平的信息。然而，設(shè)計這樣的化學傳感器比物理傳感器更復雜?？纱┐魇交瘜W傳感器與皮膚的直接接觸會導致刺激和過敏。相比之下，如果傳感器直接制作在可穿戴的紡織品上，其精度會由于表面不規(guī)則性而降低。
在最近的一項研究中，由日本科學家開發(fā)了一種創(chuàng)新的汗液生物傳感器，可以解決上述問題。他們的工作已于近期在線發(fā)表在《ACS Sensors》上，描述了使用一種稱為“熱轉(zhuǎn)移式印刷”的技術(shù)將一種薄而柔韌的氯離子傳感器固定在紡織品基底上。
1、創(chuàng)新點
上述提出的傳感器可以轉(zhuǎn)移到纖維基底上，因此可以整合到T恤、腕帶和鞋墊等紡織品中。此外，健康指標，如汗液中的氯離子濃度，可以通過簡單地穿著這些衣物來測量。
熱轉(zhuǎn)移式印刷方法有幾個優(yōu)點。一方面，傳感器被轉(zhuǎn)移到衣服外面，可以防止皮膚刺激。此外，紡織品的吸汗作用有助于在傳感器的電極之間均勻地傳播汗水，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的電接觸。最后，將傳感器印刷在平坦的表面上，然后將其轉(zhuǎn)移，可以防止直接印刷到紡織品上時常常出現(xiàn)的模糊邊緣。
印刷層示意圖。| Isao Shitanda et al.
熱轉(zhuǎn)移的過程。(a)PET基底上的絲網(wǎng)印刷傳感器。(b)放置在紡織品上的傳感器。(c)施加熱和壓力。(d)移除PET基底之前的熱傳遞傳感器。(e) PET基底容易剝離。(f)紡織品上的傳感器。| Isao Shitanda et al.
2、研究結(jié)果
研究人員仔細選擇了傳感器的材料和電化學機制，以避免佩戴者有過敏反應的風險。在開發(fā)出傳感器后，他們使用人工汗液進行了各種實驗，以驗證其測量氯離子濃度的準確性。傳感器電動勢的變化為-59.5 mTV/log CCl-。此外，它還表現(xiàn)出能斯特響應，并與人體汗液中氯離子的濃度范圍呈線性關(guān)系。而且，沒有發(fā)現(xiàn)汗液中常存在的其他離子或物質(zhì)會干擾測量。
氯離子傳感器的電動勢取決于人工汗液中的氯離子濃度。 | Isao Shitanda et al.
最后，研究小組在一名志愿者身上測試了這種傳感器，這名志愿者在靜態(tài)自行車上鍛煉了30分鐘，每五分鐘測量一次他們的排汗率、血液中的氯離子水平和唾液滲透壓，并與傳感器之前收集的數(shù)據(jù)進行比較。所提出的可穿戴傳感器可以可靠地測量汗液中氯離子的濃度。
在體測試。(a)測試對象的照片，傳感器貼在他的身上。(b)在體試驗期間氯離子傳感器的響應。 | Isao Shitanda et al.
該傳感器還可以無線傳輸數(shù)據(jù)，使其有助于實時健康監(jiān)測。“由于氯化物是人體汗液中最豐富的電解質(zhì)，測量其濃度可以提供人體電解質(zhì)平衡的良好指標，也是診斷和預防中暑的有用工具，”Shitanda博士說。
因此，這項研究證明了使用可穿戴離子傳感器實時監(jiān)測汗液生物標志物的潛力，有助于個性化醫(yī)療保健發(fā)展和運動員訓練管理。
內(nèi)容來源
Shitanda I, Muramatsu N, Kimura R, et al. Wearable Ion Sensors for the Detection of Sweat Ions Fabricated by Heat-Transfer Printing [published online ahead of print, 2023 Jun 15]. ACS Sens. 2023;10.1021/acssensors.3c01027. doi:10.1021/acssensors.3c01027
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